野生小麦的基因组分析为驯化提供线索

近日，一个由以色列的研究人员领导的国际研究小组对野生二粒小麦（wild emmer wheat）的基因组进行了分析，让人们对小麦驯化后的基因组变化有了一定的了解。这项成果于7月7日发表在《Science》杂志上。

对于硬质小麦和面包小麦这些重要经济作物来说，野生二粒小麦是直接祖先。以色列特拉维夫大学领导的研究小组利用全基因组鸟枪法测序和三维染色体构象捕获测序的组合，生成了野生二粒小麦的10.1 Gb组装。研究揭示了两个基因的突变，这些基因可能使麦穗不再破碎，这是一个重要的驯化特征。

文章的通讯作者、特拉维夫大学的Assaf Distelfeld表示：“从生物和历史的角度来看，我们已经创造了一个‘时空隧道’，让我们能够去研究现代农业以前的小麦。通过与现代小麦的比较，我们能够鉴定出参与驯化的基因。”

Distelfeld和他的同事对野生二粒小麦种质Zavitan进行了全基因组鸟枪法测序。他们利用3D Hi-C数据对生成的scaffold进行验证，将测序数据分配到14条假分子序列，这反映了14条野生二粒小麦的染色体。研究人员报告称，这实现了10.5 Gb的组装，其中10.1 Gb包含在14条假分子序列中。

同时，研究人员对野生二粒小麦不同发育阶段的各个组织进行了RNA测序。他们建立了65,012高度可信的基因模型。同源性分析进一步表明，近四分之三的基因有同源对。

野生二粒小麦成熟后，完整的穗会分裂成小穗，其果实自然脱落，便于传播。之后，在野生小麦驯化的过程中，破碎的麦穗转变为不脱落的麦穗，从而更便于农民收割。不过，这种关键性转变的分子基础还不确定。

研究人员将Zavitan与驯化的硬质小麦进行杂交，发现了调控破碎表型的基因组区域，包括野生二粒小麦3A和3B染色体上两个主要区域。具体来说，他们在3A染色体上鉴定出小麦基因TtBtr1-A和TtBtr2-A，在3B染色体上鉴定出TtBtr1-B和TtBtr2-B。

作者预测，驯化小麦含有的TtBtr1-A和TtBtr1-B等位基因变异可能影响蛋白质功能，导致破碎功能的丧失。他们在同基因小麦品系中检验了TtBtr1-A和TtBtr1-B的影响，发现这两个纯化隐性突变似乎是产生非破碎性状所必需的。

文章的共同作者、堪萨斯州立大学的研究人员Eduard Akhunov表示：“这种新的资源让我们能够鉴定出一些控制主要性状的基因，这些性状在小麦驯化过程中被早期人类所选择，是现代小麦品种的基础。这些基因也为未来的育种工作提供了宝贵的资源。”（来源：生物通 薄荷）

Wild emmer genome architecture and diversity elucidate wheat evolution and domestication

Abstract Wheat (Triticum spp.) is one of the founder crops that likely drove the Neolithic transition to sedentary agrarian societies in the Fertile Crescent more than 10,000 years ago. Identifying genetic modifications underlying wheat’s domestication requires knowledge about the genome of its allo-tetraploid progenitor, wild emmer (T. turgidum ssp. dicoccoides). We report a 10.1-gigabase assembly of the 14 chromosomes of wild tetraploid wheat, as well as analyses of gene content, genome architecture, and genetic diversity. With this fully assembled polyploid wheat genome, we identified the causal mutations in Brittle Rachis 1 (TtBtr1) genes controlling shattering, a key domestication trait. A study of genomic diversity among wild and domesticated accessions revealed genomic regions bearing the signature of selection under domestication. This reference assembly will serve as a resource for accelerating the genome-assisted improvement of modern wheat varieties.

原文链接：http://science.sciencemag.org/content/sci/357/6346/93.full.pdf

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